MODULO II - Naturaleza y teoría de las radiaciones.

MODULO II - Naturaleza y teoría de las radiaciones.

Energía radiante o lumínica.

La Energía es un concepto esencial de las ciencias. Desde un punto de vista material complejo de definir. La más básica de sus definiciones indica que se trata de la capacidad que poseen los cuerpos para producir Trabajo, es decir la cantidad de energía que contienen los cuerpos se mide por el trabajo que son capaces de realizar.
La realidad del mundo físico demuestra que la energía, siendo única, puede presentarse bajo diversas formas capaces de transformarse unas a otras.

Energía radiante

Es la energía que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioletas (UV), los rayos infrarrojos (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se propaga en el vacío sin necesidad de soporte material alguno. Se transmite por unidades llamadas fotones, estas unidades llamadas fotones actúan también como partículas, debe ser como lo plantease el físico Albert Einstein en su teoría de la relatividad general.

La energía radiante o lumínica es aquella que más frecuentemente vemos en forma de luz y que nos permite ver las cosas alrededor de nosotros. Se propaga en todas las direcciones, se puede reflejar en objetos y puede pasar de un material a otro.

La luz proviene de los cuerpos llamados fuentes o emisores. Llena el Universo, emitida por el Sol y por todas las estrellas que son fuentes luminosas naturales (igual como lo son el fuego y algunos insectos como las luciérnagas). Sobre la Tierra, las plantas verdes se mantienen vivas gracias a la energía radiante del Sol, e incluso la vida de los animales —entre ellos el hombre— depende de esta energía. Además de la luz, las ondas de radio, los rayos X, los rayos ultravioleta, son formas de energía radiante invisibles, utilizadas por el hombre.

Existen también fuentes luminosas artificiales (las ampolletas, los tubos fluorescentes y las linternas).
El hombre ha ideado diferentes formas para utilizar la energía luminosa que proviene del sol. Algunas de ellas son los colectores solares y espejos curvos especiales, que se utilizan en calefacción y para generar energía eléctrica. La energía solar tiene la ventaja de no contaminar.

-Teoría de la naturaleza de la luz, Leucipo, Apuleyo, Euclides, Newton, Huygens, Fresner, Roemer, Maxwell, Hertz, Planck, Einstein, De Broglie, Germen y Davidson.- -Teoría corpuscular, ondulatoria, electromagnética, de Einstein, de De Broglie-

Las teorías propuestas por los científicos para explicar la naturaleza de la luz han ido cambiando a lo largo de la historia de la ciencia, a medida que se van descubriendo nuevas evidencias que permiten interpretar su comportamiento, como corpúsculo, onda, radiación electromagnética, cuanto o como la mecánica cuántica.

Las primeras aportaciones conocidas son las de Lepucio (450 a.C.) perteneciente a la escuela atomista, que consideraban que los cuerpos eran focos que desprendían imágenes, algo así como halos oscuros, que eran captados por los ojos y de éstos pasaban al alma, que los interpretaba. Esta teoría se llama intromisión.

Los partidarios de la escuela pitagórica afirmaban justamente lo contrario: no eran los objetos los focos emisores, sino los ojos. Su máximo representante fue Apuleyo (400 a.C.); haciendo un símil con el sentido del tacto, suponían que el ojo palpaba los objetos mediante una fuerza invisible a modo de tentáculo, y al explorar los objetos determinaba sus dimensiones y color.
Dentro de la misma escuela, Euclides (300 a.C.) introdujo el concepto de rayo de luz emitido por el ojo, que se propagaba en línea recta hasta alcanzar el objeto.
Trece siglos después el árabe Ajasen Basora (965-1039) opinaba que la luz era un proyectil que provenía del Sol, rebotaba en los objetos y de éstos al ojo

Los sabios de todas las épocas se abocaron a la solución de saber que es la luz sin encontrar respuestas adecuadas. Posteriormente en la Europa del S. XV al XVII, con los avances realizados por la ciencia y la técnica, surgieron muchos matemáticos y filósofos que produjeron importantes trabajos sobre la luz y los fenómenos luminosos.

Modelo corpuscular -Teoría Corpuscular o de la emisión-

La primera hipótesis fue planteada en el siglo xvii por el físico inglés Isaac Newton. Señalaba que la luz consistía en un flujo de pequeñísimas partículas o corpúsculos sin masa, emitidos por las fuentes luminosas, que se movía en línea recta con gran rapidez. Gracias a esto, eran capaces de atravesar los cuerpos transparentes, lo que nos permitía ver a través de ellos. En cambio, en los cuerpos opacos, los corpúsculos rebotaban, por lo cual no podíamos observar los que había detrás de ellos.

Esta teoría explicaba con éxito:
  la variación de intensidad de la fuente luminosa es proporcional a la cantidad de corpúsculos que emite en determinado tiempo.
  La reflexión de la luz consiste en la incidencia de dichos corpúsculos en forma transversal en una superficie despejada, de manera que al llegar a ella varia de dirección pero siempre en el mismo medio.
 La igualdad del ángulo de incidencia con el de reflexión se debe a la circunstancia de que tanto antes como después de la reflexión los corpúsculos conservan la misma velocidad (porque permanecen en un mismo medio)
 La refracción la resolvió expresando que los corpúsculos que inciden oblicuamente en una superficie de separación de dos medios de distinta densidad son atraídos por la masa del medio denso y, por lo tanto, aumenta la componente de la velocidad que es perpendicular a la superficie de separación, razón por la que los corpúsculos se acercan a la normal.  Por lo tanto: la velocidad de la luz aumentaría en medios de mayor densidad.

-- Según lo expresado por Newton, la velocidad de la luz aumentaría en los medios de mayor densidad, lo cual contradice los resultados de los experimentos realizados años después.

-- Esta explicación, contradictoria con los resultados experimentales sobre la velocidad de la luz en medios más densos que el vacío, obligó al abandono de la teoría corpuscular.

A finales del siglo XVI, con el uso de lentes e instrumentos ópticos, empezaran a experimentarse los fenómenos luminosos, siendo el holandés Willebrord Snell, en 1620, quién descubrió experimentalmente la ley de la refracción, aunque no fue conocida hasta que, en 1638, René Descartes (1596-1650) publicó su tratado: Óptica.
Descartes fue el primer gran defensor de la teoría corpuscular, diciendo que la luz se comportaba como un proyectil que se propulsaba a velocidad infinita, sin especificar absolutamente nada sobre su naturaleza, pero rechazando que cierta materia fuera de los objetos al ojo.

Teoría Ondulatoria -- Comportamiento Dual de la luz, De Broglie, Davisson y Germer. Dualidad onda- partícula. 

Fue el científico holandés Christian Huygens, contemporáneo de Newton, quien elaboraría una teoría diferente para explicar la naturaleza y el comportamiento de la luz. Esta teoría postula que la luz emitida por una fuente estaba formada por ondas, que correspondían al movimiento específico que sigue la luz al propagarse a través del vacío en un medio insustancial e invisible llamado éter. Además, indica que la rapidez de la luz disminuye al penetrar al agua. Con ello, explica y describe la refracción y las leyes de la reflexión. En sus inicios, esta teoría no fue considerada debido al prestigio de Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta: se le sometió a pruebas a través de los trabajos del médico inglés Thomas Young, sobre las interferencias luminosas, y el físico francés Augeste Jean Fresnel, sobre la difracción. Como consecuencia, quedó de manifiesto que su poder explicativo era mayor que el de la teoría corpuscular.

Propugnada por en el año 1678, describe y explica lo que hoy se considera como leyes de reflexión y refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que se produce con el sonido.

Propuso el modelo ondulatorio, en el que se defendía que la luz no era más que una perturbación ondulatoria, parecida al sonido, y de tipo mecánico pues necesitaba un medio material para propagarse.
 Supuso tres hipótesis:

--todos los puntos de un frente de ondas eran centros emisores de ondas secundarias;

--de todo centro emisor se propagaban ondas en todas direcciones del espacio con velocidad distinta en cada medio;

---como la luz se propagaba en el vacío y necesitaba un material perfecto sin rozamiento, se supuso que todo el espacio estaba ocupado por éter, que hacía de soporte de las ondas.

Como los físicos de la época consideraban que todas las ondas requerían de algún medio que las transportaran en el vacío, para las ondas lumínicas se postula como medio a una materia insustancial e invisible a la cual se le llamó éter.

Justamente la presencia del éter fue el principal medio cuestionador de la teoría ondulatoria. En ello, es necesario equiparar las vibraciones luminosas con las elásticas transversales de los sólidos sin que se transmitan, por lo tanto, vibraciones longitudinales. Aquí es donde se presenta la mayor contradicción en cuanto a la presencia del éter como medio de transporte de ondas, ya que se requeriría que éste reuniera alguna característica sólida pero que a su vez no opusiera resistencia al libre transito de los cuerpos sólidos. (Las ondas transversales sólo se propagan a través de medios sólidos.)

En aquella época, la teoría de Huygens no fue muy considerada, fundamentalmente, y tal como ya lo mencionamos, dado al prestigio que alcanzó Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta la Teoría Ondulatoria de la luz. Los experimentos del médico inglés Thomas Young sobre los fenómenos de interferencias luminosas, y los del físico francés Auguste Jean Fresnel sobre la difracción fueron decisivos para que ello ocurriera y se colocara en la tabla de estudios de los físicos sobre la luz, la propuesta realizada en el siglo XVII por Huygens.

Young demostró experimentalmente el hecho paradójico que se daba en la teoría corpuscular de que la suma de dos fuentes luminosas pueden producir menos luminosidad que por separado. En una pantalla negra practica dos minúsculos agujeros muy próximos entre sí: al acercar la pantalla al ojo, la luz de un pequeño y distante foco aparece en forma de anillos alternativamente brillantes y oscuros. ¿Cómo explicar el efecto de ambos agujeros que por separado darían un campo iluminado, y combinados producen sombra en ciertas zonas? Young logra explicar que la alternancia de las franjas por la imagen de las ondas acuáticas. Si las ondas suman sus crestas hallándose en concordancia de fase, la vibración resultante será intensa. Por el contrario, si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, la vibración resultante será nula. Deducción simple imputada a una interferencia y se embriona la idea de la luz como estado vibratorio de una materia insustancial e invisible, el éter, al cual se le resucita.

Ahora bien, la colaboración de Auguste Fresnel para el rescate de la teoría ondulatoria de la luz estuvo dada por el aporte matemático que le dio rigor a las ideas propuestas por Young y la explicación que presentó sobre el fenómeno de la polarización al transformar el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens y ratificado por Young, quien creía que las vibraciones luminosas se efectuaban en dirección paralela a la propagación de la onda luminosa, en transversales. Pero aquí, y pese a las sagaces explicaciones que incluso rayan en las adivinanzas dadas por Fresnel, inmediatamente queda presentada una gran contradicción a esta doctrina, ya que no es posible que se pueda propagar en el éter la luz por medio de ondas transversales, debido a que éstas sólo se propagan en medios sólidos.

En su trabajo, Fresnel explica una multiplicidad de fenómenos manifestados por la luz polarizada. Observa que dos rayos polarizados ubicados en un mismo plano se interfieren, pero no lo hacen si están polarizados entre sí cuando se encuentran perpendicularmente. Este descubrimiento lo invita a pensar que en un rayo polarizado debe ocurrir algo perpendicularmente en dirección a la propagación y establece que ese algo no puede ser más que la propia vibración luminosa. La conclusión se impone: las vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, como Young lo propusiera, sino perpendiculares a la dirección de propagación, transversales.

Las distintas investigaciones y estudios que se realizaron sobre la naturaleza de la luz, en la época en que nos encontramos de lo que va transcurrido del relato, engendraron aspiraciones de mayores conocimientos sobre la luz. Entre ellas, se encuentra la de lograr medir la velocidad de la luz con mayor exactitud que la permitida por las observaciones astronómicas. Hippolyte Fizeau (1819- 1896) concretó el proyecto en 1849 con un clásico experimento. Al hacer pasar la luz reflejada por dos espejos entre los intersticios de una rueda girando rápidamente, determinó la velocidad que podría tener la luz en su trayectoria, que estimó aproximadamente en 300.000 km./s. Después de Fizeau, lo siguió León Foucault (1819 – 1868) al medir la velocidad de propagación de la luz a través del agua.
Ello fue de gran interés, ya que iba a servir de criterio entre la teoría corpuscular y la ondulatoria.
La primera, como señalamos, requería que la velocidad fuese mayor en el agua que en el aire; lo contrario exigía, pues, la segunda. En sus experimentos, Foucault logró comprobar, en 1851, que la velocidad de la luz cuando transcurre por el agua es inferior a la que desarrolla cuando transita por el aire. Con ello, la teoría ondulatoria adquiere cierta preeminencia sobre la corpuscular, y pavimenta el camino hacia la gran síntesis realizada por Maxwell.

En 1670, por primera vez en la historia, el astrónomo danés Olaf Roemer pudo calcular la velocidad de la luz. Se hallaba estudiando los eclipses de uno de los satélites de Júpiter, cuyo período había determinado tiempo atrás. Estaba en condiciones de calcular cuales serían los próximos eclipses. Se dispuso a observar uno de ellos, y con sorpresa vio que a pesar de que llegaba el instante tan cuidadosamente calculado por él, el eclipse no se producía y que el satélite demoró 996 seg. en desaparecer.
Roemer realizó sus primeros cálculos cuando la tierra se encontraba entre el Sol y Júpiter; pero cuando observó el retraso en el eclipse era el Sol quien se encontraba entre la Tierra y Júpiter.
Por lo tanto la luz debía recorrer una distancia suplementaria de 299.000.000 Km., que es el diámetro de la órbita terrestre, por lo tanto:

Vel. Luz = Diam. Órbita terrestre 299.000.000 Km / Atraso observado 996 seg. = 300.200 Km/seg.
Observaciones posteriores llevaron a la conclusión que el atraso en cuestión era de 1.002 seg. , lo cual da por resultado que la velocidad de la luz sería de 298.300 Km/seg.

Si se consideraba onda, la luz debería atravesar los obstáculos, como el sonido. Como no era así, se precisaba de alguna nueva hipótesis. Aún mas considerando que tampoco podía explicar los fenómenos de polarización. Todos estos problemas, junto al prestigio de Newton que defendía la teoría contraria, relegó a un segundo plano, durante algún tiempo, el modelo ondulatorio.

En 1849,León Foucault y casi simultáneamente Fizeau, hallaron en un método que permite medir la velocidad de la luz en espacios reducidos.
La idea consiste en enviar un haz de luz sobre un espejo giratorio haciéndole atravesar una lámina de vidrio semitransparente y semirreflectora, un espejo fijo devuelve el rayo y atraviesa luego lámina observándose la mancha luminosa en una pantalla.

Con este método se obtuvo que:
                                                      V = 295.680 Km./seg.

Juntos concibieron la idea de calcular la velocidad de la luz en otro medio que no sea el aire. Midieron la velocidad de la luz en el agua y obtuvieron un resultado experimental que decidió la controversia a favor de la teoría ondulatoria.
En general todas las mediciones de que se tiene conocimiento obtuvieron resultados entre 298.000 Km/seg y 313.300 Km/seg sin embargo se toma como velocidad de la luz la de 300.000 Km/seg por ser un término medio entre los valores obtenidos y por ser una cifra exacta que facilitan los cálculos.

Teoría Electromagnética

En el siglo XIX, se agregan a las teorías existentes de la época las ideas del físico James Clerk Maxwell, en 1862 basándose en Faraday logró resumir los fenómenos ópticos y electromagnéticos dentro de una teoría. Propugna que los fenómenos eléctricos están relacionados con los fenómenos magnéticos. Al respecto, señala que cada variación en el campo eléctrico origina un cambio en la proximidad del campo magnético e, inversamente. Se consideran ondas eléctricas y magnéticas que se acompañan siempre siendo periódicamente variables, y constantemente perpendiculares entre si y a la dirección de propagación son pues, ondas transversales semejantes a la luz. Las ondas electromagnéticas (Weber y Kohlrausch) se transmiten con igual velocidad que la luz.
De esta analogía Maxwell termina concluyendo que: la luz consiste en una perturbación electromagnética que se propaga en éter. Ondas eléctricas y luminosas son fenómenos idénticos. Veinte años más tarde, Heinrich Hertz comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo definitivamente, la identidad de ambos fenómenos. Hertz en 1888 logro producir ondas por medios exclusivamente eléctricos y, a su vez, demostrar que estas ondas poseen todas las características de la luz visible, con la única diferencia de las λ son mayores. Las ondas eléctricas se refractan, reflejan y polarizan, su velocidad de propagación es igual a la de la luz. Lo cual confirma la propuesta de Maxwell.





Todas las radiaciones son electromagnéticas (misma índole física) diferenciándose solamente en la λ en la que se producen.

Mayor λ -- ondas hertzianas  luz visible  rayos UV  Rx Rayos cósmicos -- menor λ

Sin embargo esta teoría deja sin explicación fenómenos relacionados con el comportamiento de la luz en cuanto a la absorción y la emisión: el efecto fotoeléctrico y la emisión de luz por cuerpos incandescentes. Lo anterior da pie a la aparición de nuevas explicaciones sobre la naturaleza de la luz.

 “la luz es una onda, más precisamente una oscilación electromagnética, que se propaga en el vacío o en un medio transparente, cuya λ es muy pequeña “

 La luz es una parte insignificante del espectro electromagnético.

 Las ondas se identifican por la λ

 Vp= λ . f

Teoría de los Cuantos

 Esta teoría propuesta por el físico alemán Max Planck establece que los intercambios de energía entre la materia y la luz solo son posibles por cantidades finitas o cuántos de luz, que posteriormente se denominan fotones. La teoría tropieza con el inconveniente de no poder explicar los fenómenos de tipo ondulatorio, como son las interferencias, las difracciones, entre otros. Nos encontramos nuevamente con dos hipótesis contradictorias, la teoría de los cuantos y la electromagnética. Posteriormente, basándose en la teoría cuántica de Planck, en 1905 el físico de origen alemán Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico por medio de los corpúsculos de luz, a los que llamó fotones. Con esto propuso que la luz se comporta como onda en determinadas condiciones.

Mecanicas Ondulatoria

Esta teoría reúne tanto la teoría electromagnética como la de los ‘cuantos’ heredadas de la teoría corpuscular y ondulatoria, con lo que se evidencia la doble naturaleza de la luz. El que esta se comporte como onda y partícula fue corroborado por el físico francés Luis de Broglie, en el año 1924, quién agregó, además, que los fotones tenían un movimiento ondulatorio, o sea que la luz tenía un comportamiento dual. Así, la luz, en cuanto a su propagación, se comporta como onda, pero su energía es trasportada junto con la onda luminosa por unos pequeños corpúsculos que se denominan fotones. Esta teoría establece, entonces, la naturaleza corpuscular de la luz en su interacción con la materia (proceso de emisión y absorción) y la naturaleza electromagnética de su propagación.

Longitud de Onda de De Broglie
En 1924, Louis de Broglie, plantea la posibilidad de asociar una función de onda a las partículas. El razonamiento lo hace por criterios de simetría con respecto a la necesidad de asignar propiedades corpusculares a la radiación electromagnética, cuya conveniencia es el resultado de analizar experiencias como por ejemplo los efectos fotoeléctricos y Compton. Una consecuencia inmediata del principio de de Broglie es la interpretación de las leyes de cuantificación utilizadas, por ejemplo, en el modelo atómico de Bohr, como equivalentes a considerar solo aquellas "órbitas" cuya longitud hace que la onda del electrón sea estacionaria.
La hipótesis de de Broglie adquiere fuerza con los resultados del experimento de Davisson y Germer, entre otros, en los que un haz de electrones acelerados produce un patrón de interferencia, resultado típicamente ondulatorio, al ser dispersado por un cristal de Níquel.
Las conclusiones de los experimentos de difracción de haces de partículas, y de interpretación del efecto Compton, así como otras experiencias con radiación electromagnética, hacen que nos cuestionemos sobre la "verdadera" naturaleza de la materia y de las radiaciones, ¿son ondas o partículas?. El principio de Complementariedad de Niels Bohr, nos indica la dualidad de ondas y partículas, siendo el experimento planteado el que determine el modelo a utilizar.
En vista de la necesidad de asociar una función de onda a las partículas, nos induce a plantear la posible interpretación física de la misma. Los conocimientos previos de campos electromagnéticos, unidos a la interpretación corpuscular de la radiación electromagnética, indujeron a Albert Einstein a interpretar el cuadrado de la amplitud del campo eléctrico como una medida de la densidad de fotones de un haz, por tanto, la densidad de partículas de un haz podría asociarse al cuadrado de la amplitud de la función de onda de materia. Sin embargo, el significado de la función de ondas de una única partícula no queda claro. Max Born, sugiere que en ese caso la interpretación es la de una densidad de probabilidad de presencia de la partícula entorno a una posición determinada del espacio y en un instante de tiempo. Queda de esta forma asociada la función de onda a una probabilidad, concepto contrapuesto, en cierta medida, al determinismo asociado a la "posición espacial" de la física clásica.
Haciendo uso, una vez más, de los conocimientos del electromagnetismo intentaremos representar las partículas por medio de ondas armónicas, u ondas planas. Sin embargo la interpretación de Born conduce a una total "deslocalización" espacial para éstas partículas, tendremos por tanto, que introducir paquetes de ondas, es decir superposición de ondas planas, para poder limitar la deslocalización de la partícula a una zona de dimensiones finitas. Ahora bien, matemáticamente, para construir un paquete de ondas de dimensiones espaciales finitas, necesitamos un rango de vectores de ondas distintos. Si el paquete es una representación de la onda de materia concluiremos que cuanto más localizada esté una partícula, más amplio será el espectro de vectores de ondas, es decir de cantidades de movimiento, necesario. Este es el concepto básico contenido en el Principio de Indeterminación de Heisemberg. Éste principio destruye por completo el determinismo clásico ya que impide la definición, con absoluta precisión, de las condiciones iniciales de un sistema físico, premisa en que se basa la supuesta posibilidad de predecir, de nuevo con absoluta precisión según la física clásica, la evolución futura del sistema.
Luis de Broglie fue quien señaló que las partículas poseían no sólo características de tales sino también de ondas, lo que llevó al señalamiento jocoso de que los electrones se comportaban como partículas los lunes, miércoles y viernes y como ondas los martes y jueves. Ya se conocía, gracias a Einstein, que el fotón podía ser descrito por su masa en reposo y por su frecuencia lo que llevó a relacionar el momento del fotón (característica de partícula) con la frecuencia (característica de onda), y a de Broglie a proponer que esta asociación era característica de todas las partículas, no sólo del fotón, lo que se esquematiza en las siguientes ecuaciones
De esta asociación entre partículas y ondas es que surge luego la teoría ondulatoria de Schrödinger; ‘ecuación de onda’ para describir las propiedades ondulatorias de una partícula, el comportamiento ondulatorio de e- del átomo de H y He.
Las soluciones de la ecuación indicaban que no podía haber 2 e- que tuvieran sus cuatro números cuánticos iguales, no pueden tener mismo estado energético.
Esta regla ya había sido establecida por Paulli en 1925.

Representación de una onda. Se llama longitud de onda a la distancia entre dos "valles" o dos "montes".

Conclusión:

•  Podemos decir que la luz es toda radiación electromagnética capaz de ser percibida por la vista; con propiedades de partícula y onda.
  
• El intervalo de frecuencia de las radiaciones que componen la luz solamente está delimitado por la capacidad del órgano de la visión.
•  La luz está formada por radiaciones correspondientes a grandes cantidades de frecuencia. El láser es la única radiación visible formada por radiaciones de igual longitud de onda.
• La luz en un medio homogéneo, se propaga en línea recta. Cada una de las direcciones de propagación de la luz es un rayo luminoso.
• Un conjunto de rayos que parten de un punto es un ‘haz’. si el punto del que salen los rayos está muy alejado, los rayos se consideran paralelos.
  
  
                                       ⱱ =3.0 x 108 m/s en el vacío

En un prisma óptico el rayo que incide, debido a los diferetes índices de refracción del prisma, se descompone en las diferentes radiaciones que lo componen.

Modulo I - INTRODUCCION

FISICA BÁSICA 
MODULO I - INTRODUCCION

La física y el método experimental, experimentos y observaciones. Teorías físicas.

La física parte de observaciones experimentales y de mediciones cuantitativas. Su principal objetivo es encontrar el limitado número de leyes que gobiernan los fenómenos naturales para desarrollar teorías que puedan predecir los resultados de futuros experimentos.
¿Qué estudia la Física? La palabra Física proviene del griego “fisis” y se traduce por naturaleza. Por eso cuando hablamos de la Física hablamos de la ciencia que estudia la naturaleza en su aspecto más amplio y general; es decir, el estudio de aquellos fenómenos asociados a los cuerpos y que provocan modificaciones en su estado, en su movimiento o en la energía que almacenan, pero que no alteran su estructura interna. El interés de la humanidad por su entorno físico está presente desde las primeras civilizaciones, cuando empiezan a interesarse por la periodicidad de ciertos fenómenos astronómicos, como las diferentes fases de la Luna o la regularidad de la estaciones del año. Sin embargo, el salto cualitativo más significativo en el estudio de los fenómenos físicos se produce en el siglo XVI y su principal representante es Galileo Galilei (1564 – 1642).

Galileo defiende que sólo con el uso de la razón y el estudio experimental de los fenómenos naturales se puede obtener un conjunto de leyes universales formuladas matemáticamente, que nos permite conocer mejor el mundo que nos rodea y descubrir el funcionamiento del Universo. Con esa propuesta, revolucionaria para la época, está negando que al autoridad tradicional y las doctrinas religiosas puedan ser la única fuente de conocimiento; por eso podemos decir que con él nace la Física moderna. En la actualidad, la Física ya no se limita al estudio de los fenómenos naturales elementales, como el movimiento de los cuerpos, las fuerzas que los provocan o la energía puesta en juego en esos procesos, sino que su interés abarca un gran número de campos de investigación: el electromagnetismo, la termodinámica, la óptica, la electrónica, la física nuclear, la astrofísica, etc.

El método científico
La Física es una ciencia experimental, por lo que su avance es sobre todo empírico, es decir, basado en verificaciones experimentales de cualquier conjetura o hipótesis formulada. Aunque existen muchas formas de investigar en el campo de la Ciencias de la Naturaleza, todas ellas tienen en común la utilización de un método riguroso y sistemático al que se denomina método científico.
Ciertas características del modo en que trabaja la comunidad científica es lo que hoy denominamos método cientifico, este no es un conjunto de reglas o de etapas que siguen los científicos rigurosamente. Mas bien se trata de una serie de procesos comunes, un modo de acercarnos a la realidad en que debemos cumplir ciertos acuerdos preestablecidos que permiten discernir si una afirmación relativa a la naturaleza es aceptable o no.

En los últimos siglos se han desarrollado métodos para estudiar sistemáticamente la naturaleza. Entre ellos se deben incluir las técnicas de observación, reglas para el razonamiento y la predicción.

La idea sobre la experimentación planificada y los modos de comunicar los resultados experimentales y teóricos todo ello englobado en lo que se llama método científico.
Es en el renacimiento cuando Galileo introduce el cambio drástico en el modo de proceder. Considera que la experimentación controlada es la base para decidir si son válidos o no los supuestos iniciales. Esto fue lo que dio origen a lo que hoy llamamos CIENCIA, y a la forma particular que tiene esta para avanzar en el conocimiento de la naturaleza.

OBSERVACION: se observan determinados fenómenos

El planteamiento de un problema o una pregunta: el origen del problema puede estar en tener que resolver una necesidad creada dentro del contexto social o Galileo Galilei simplemente, responde a la curiosidad de conocer la explicación de un fenómeno observado.
El análisis de la situación: se recurre a modelos simplificados de las situaciones que se quieren estudiar reduciendo las variables de las que dependa el fenómeno, se aíslan del entorno. La recopilación, el análisis y el estudio de la información constituyen la mayor parte del tiempo de trabajo científico. Cualquier problema que se plantee, por nuevo que sea, lleva asociada gran cantidad de información que puede ser útil para su resolución.

↓
HIPOTESIS: se forman conjeturas. La formulación de la hipótesis: una vez planteado el problema, se enuncia una explicación coherente con los conocimientos que se tienen y que se pueda comprobar experimentalmente. 

↓
EXPERIMENTOS: se ponen a prueba las hipótesis y es aceptada o rechazada. La experimentación de la hipótesis: los experimentos son observaciones cuantitativas del fenómeno en condiciones controladas, de manera que se pueden reproducir en otros lugares y por otras personas.
La ordenación y el análisis de datos experimentales: con este fin se emplean tablas y gráficas, de forma que se puedan buscar y encontrar relaciones entre las distintas magnitudes estudiadas. Si los experimentos confirman la hipótesis o permiten reformularla de forma adecuada, se pueden enunciar leyes, que son hipótesis confirmadas que muestran una relación cuantitativa entre dos o más variables.

↓
LEY EMPÍRICA si se aceptó la hipótesis se construyen las denominadas leyes empíricas, las cuales se basan en hechos experimentales.
Las leyes se suelen escribir mediante expresiones matemáticas, y su rango de validez queda definido dentro del marco del modelo seguido y de las condiciones en las que se realizaron los experimentos.

↓
TEORIAS, Un conjunto de leyes coherentes entre sí forman una teoría.

 La comunicación de los resultados: se deben de hacer públicos de forma que la comunidad científica tenga acceso a ellos, pueda refrendarlos y, si son aceptados, añadirlos al conjunto de conocimientos que se tengan en ese momento.
 Su requisito fundamental es el de ser capaz de realizar predicciones sobre distintos hechos de los observados inicialmente. Estas predicciones son puestas nuevamente a prueba para rechazar o aceptar la teoría, de este modo la experimentación es la prueba máxima para validar una afirmación de forma científica.

Hay que destacar que son muchas las ocasiones en las que el trabajo del científico no se inicia a partir de la observación de un hecho, sino que puede empezar en cualquier otra parte del esquema, de ahí el carácter circular del mismo.

Observación: en esta etapa de observación y recolección de datos nos encontramos con la MEDIDA. Dado que la experiencia va a ser la clave para dilucidar la validez de toda afirmación científica, el proceso de medida se convierte en el proceso central del método experimental.

Asociado al proceso de medición encontramos el concepto de ERROR o INCERTIDUMBRE de una medida.
El aceptar o rechazar una u otra hipótesis depende en muchas ocasiones del resultado de una medida y de la certeza que se tiene de ella.

La palabra teoría tiene su origen en el vocablo de origen griego theorein (“observar”). Este término solía emplearse para hacer mención a la visualización de una obra de teatro, lo que puede explicar porque, en la actualidad, la noción de teoría permite hacer referencia a un asunto provisional o que no es cien por ciento real.

En la actualidad, una teoría se entiende como un sistema lógico que se establece a partir de observaciones, axiomas y postulados, y persigue el propósito de afirmar bajo qué condiciones se llevarán a cabo ciertos supuestos. Para esto, se toma como punto de referencia una explicación del medio idóneo para que las predicciones puedan ser desarrolladas. En base a estas teorías, es posible deducir o postular otros hechos mediante ciertas reglas y razonamientos.

La teoría científica está basada en el planteo de un sistema abstracto hipotético-deductivo, que fija una descripción científica en base a un conjunto de observaciones o experimentos. La teoría científica se rige por hipótesis o supuestos que los científicos se encargan de verificar.

Cabe resaltar que existen dos clases de ideas que pueden desarrollarse hasta lograr establecer una teoría: las conjeturas (suposiciones que no cuentan con el respaldo de las observaciones) y las hipótesis (que sí se apoyan en múltiples observaciones). Estas ideas, dicen los expertos, pueden ser falsas, razón por la cual no evolucionan y no llegan a desembocar en una teoría.

Una teoría está formada por el conjunto de conceptos, proposiciones y definiciones que se encuentran relacionadas entre sí y que son recogidas desde un punto de vista sistemático de fenómenos con el objetivo de explicar o poder predecir un determinado fenómeno.
¿Para qué sirve la teoría? sirve para explicar la realidad (por qué, cómo, cuándo ocurre el fenómeno que se estudia), para ordenarla en una serie de conceptos e ideas; es el fin definitivo de cualquier investigación científica..

Primero la teoría debe presentarse, luego explicar por qué es necesario analizar el fenómeno y por último explayar sus ideas de forma clara y concisa. Puede analizarse un fenómeno complejo que guarde en su esencia otros fenómenos puntuales, por ej: la teoría de la relatividad puede explicarse en grandes rasgos o hacerlo de forma descriptiva en cada uno de los fenómenos que la forman. Es común que para explicar o predecir cualquier fenómeno de la realidad sea necesario analizar detenidamente varias teorías que se interceptan, para poder encontrar las diferentes características del fenómeno y revisar cada uno de sus aspectos adecuadamente.

El término también puede hacer referencia a las ideas que alguien tiene acerca de una determinada cosa, o al conjunto de conocimientos o razonamientos que se hayan realizado sobre un asunto, los cuales no han sido llevados a procedimientos empíricos para probar su veracidad.

MAGNITUDES FISICAS (Magnitudes físicas, las 7 del SI, su medición directa.)

Las propiedades de los objetos cuya naturaleza se establece de forma objetiva y que pueden ser cuantificadas se denominan magnitudes físicas.

Magnitud física es cualquier propiedad observable de los cuerpos susceptible de ser cuantificada de forma objetiva mediante un proceso de medida.

Las magnitudes físicas nos permiten describir los fenómenos naturales en términos científicos, sin ambigüedad, con independencia del observador que los estudia. Son ejemplos de magnitudes físicas la longitud, la masa, el volumen, la densidad, la temperatura o la velocidad.

> Es condición de una magnitud física ser medible, permitiendo así la descripción de los fenómenos físicos.

> Se dividen en medibles y no medibles.

> Por magnitud se entiende al proceso de obtener un número llamado medida el cual expresa en cierta unidad el valor o cantidad de la magnitud.

Unidad física es cualquier cantidad arbitraria de una magnitud que se adopta por acuerdo como patrón para esa magnitud. Ej.: con una balanza determinamos que la masa de un objeto es de
10.5 g. m (magnitud) = 10.5 (valor numérico) g (unidad)

Por convenio, se escoge un cierto número de magnitudes básicas a las que se da la categoría de magnitudes fundamentales. Estas magnitudes se definen directamente a partir de propiedades observables de los cuerpos y no como combinación de otras magnitudes. El resto de magnitudes que se expresan en función de las fundamentales, se denomina derivadas. Así, la densidad es una magnitud derivada, pues se obtiene mediante la operación de dividir la masa por el volumen.

El número total de magnitudes fundamentales debe ser tan reducido como sea posible.
Por eso, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se eligen siete: longitud, tiempo, masa, temperatura, cantidad de sustancia, intensidad luminosa e intensidad de corriente.

Es muy habitual que, para el uso cotidiano, cada país utilice unidades de medida diferentes, como metros cúbicos, litros, galones o pies cúbicos. Sin embargo, la comunidad científica mundial emplea siempre las mismas unidades, las que se recogen en el SI, tal como se aprobó en la XI Conferencia General de Pesos y Medidas, celebrada en París en 1960.

Un detalle importante es que la unidad que se elija para medir debe cumplir una serie de requisitos que, por supuesto, cumplen las unidades SI:

 Ha de ser constante. No debe cambiar con el tiempo ni depender de quién realice la medida.

 Ha de ser universal. Debe ser la misma para todos los países.

 Ha de ser fácil de reproducir, aunque esa facilidad disminuya, en ocasiones, la exactitud del resultado que obtenemos al medir.

-Mediciones físicas en general, sensibilidad, precision y error en una medición. -Definición y clasificación de errores.

La SENSIBILIDAD de los aparatos de medida determina la mínima medida de una magnitud que se puede hacer con un determinado aparato. La sensibilidad de un aparato de medida está relacionada con la calidad de las medidas que se realicen con él.
En cada tipo de medidas se requiere una determinada sensibilidad. Por ejemplo para medir la distancia entre dos ciudades no necesitamos un sistema de medida que aprecie los milímetros, sin embargo para medir el grosor de un conductor podríamos necesitar un aparato que apreciase 0.05 mm.

La precisión de un aparato de medida será mayor cuanto menos dispersos estén los resultados de las medidas realizadas con él.

La exactitud de una medida viene dada por la cercanía entre el valor medido y el valor real.




Errores en la medida

La Física como toda ciencia experimental se basa en las medidas de los experimentos realizados. Por supuesto que en estas medidas se cometen errores. Vamos a ver ahora qué tipos de errores hay desde todos los puntos de vista.

Los errores cometidos pueden clasificarse según se produzcan por la forma en la que se realiza la medida en:

 Error accidental: Aquellos que se producen debido a un error por causas cualesquiera y que no tienen por qué repetirse. Ejemplo: Leemos en el cronómetro 35 s y escribimos en el cuaderno 36 s.

 Error sistemático: Se debe a una mala realización de las medidas que se repite siempre. Ejemplos: Se hacen medidas con un aparato que tenga un defecto de fabricación, miramos siempre la probeta desde un ángulo equivocado (error de paralaje)

Por otra parte cuando realizamos una medida nos alejamos siempre algo del valor real de la magnitud.

Para determinar la precisión de una medida usamos dos tipos de errores:

 Error absoluto: Desviación entre el valor medido y el valor real. Tiene las mismas unidades que la
magnitud medida.

 Error relativo: Cociente entre el error absoluto y el valor real. Es adimensional. Nos da una idea más exacta de la precisión a la hora de comparar dos o más medidas.

Ejemplo de método científico

Tradicionalmente se considera que el procedimiento seguido por los científicos para llegar a resultados es el método científico.
Ejemplo Deducción de la ley de Hooke
- Observación
Un resorte se alarga al ejercer sobre él una fuerza
Elaboración de hipótesis
El alargamiento del resorte puede depender de la fuerza aplicada
- Experimentación
Cogemos un muelle y lo colgamos tal y como se ve en la figura y vamos colgando de él distintas pesas y midiendo las longitudes del resorte.
- Organización y análisis de los resultados
Elaboramos una tabla con los resultados y / o representamos en un gráfico pesos frente a los alargamientos.
- Elaborar leyes
Al analizar la gráfica anterior observamos que los pesos colgados del resorte son proporcionales a los alargamientos en el muelle.
     Ley de Hooke:
F = k (L - L0) = k · Δ x
                                           (K es la constante recuperadora del resorte)